分子模拟显示植物基材料如何捕获水污染物

法国和瑞士的科学家进行了分子动力学模拟，以了解为什么一些天然材料能够去除污染水中的重金属离子。通过揭示这些微观机制，该团队希望在设计水净化系统时能够获得其他人可以使用的见解。

复杂但昂贵的水处理技术，如膜过滤、活性炭吸附和电凝。生物基材料作为低成本吸附剂也显示出很大的前景。其中许多都是原本会被扔掉的材料，包括坚果、水果和蔬菜的皮、海藻、用过的咖啡渣和茶叶。印度研究人员2018年的一项研究使用废咖啡渣从受污染的水中去除铅和氟，效率约为90%。²2020年，土耳其的一个团队证明，未经处理的茶叶废料可以从水中去除四种不同的重金属。^3.尽管有大量证据证明了天然材料的性能，但它们还没有被大规模使用。

“(这些材料)便宜、丰富而且环保。然而，迄今为止，很少有工作描述试图通过实验表征这些天然捕集剂的微观性质和相关的微观机制。为什么会有这样的对比?当然，这些天然材料的复杂性是原因之一。例如，它们都由数千种不同的化学成分组成。万达Andreoni来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)。

现在，Andreoni和她的同事们在这一领域首次使用分子水平的模拟，朝着理解这种材料的捕获作用迈出了第一步。安德烈奥尼解释说:“我们使用了最先进的模拟技术，我们以前曾将其应用于各种系统和物理化学过程。”他们决定模拟半纤维素如何从水中捕获铅离子，因为多糖存在于许多植物基材料中。他们的研究结果表明，半纤维素可以很容易地通过吸附从水中吸收铅离子，而将这些离子释放回水中则需要大量的能量。他们还报告了水的双重作用，作为聚合物吸收金属离子的竞争对手，以及金属-聚合物结合状态的参与者。

安娜贝拉Selloni他开发了计算工具来理解包括环境修复在内的应用的表面和界面，他说这项研究“为复杂的物理过程提供了一个清晰、详细和令人信服的画面，这与从有毒金属中净化水的问题有很大的关系。”她评论说，研究人员将巧妙的建模与几种先进的计算方法结合起来，从第一性原理计算和经典分子动力学到增强的统计抽样方法。“特别是，这项研究的关键成分是用于元动力学模拟的集体变量，这些变量是正确分析过程所必需的有效描述符。仅使用两个独特的合适的集体变量，研究人员就能够对他们的数千个原子系统的不同配置进行分类，区分金属离子在水中作为污染物的配置，以及它们被有机材料捕获和捕获的配置，甚至提供吸附/解吸障碍的定量估计。所有这些信息对于基于天然材料的水净化系统的设计是非常有用的。”

该团队热衷于吸引来自不同领域的科学家进行环境修复。安德烈奥尼评论说:“我们认为基础研究应该关注社会的关键问题，现在是时候开始使用最先进的实验和理论方法了。”“支持我们信念的是一个同样具有挑战性的研究领域:药物化学和药物设计。药物设计所关注的生物系统当然不比用过的咖啡或香蕉皮简单。与计算方法相结合的简化模型系统，特别是分子动力学，在药物发现的进展中发挥了非常重要的作用。同样的方法也应该用于解决环境问题。”

“净水是21世纪最重要的挑战之一，因为全球很大一部分人口无法获得干净的水，”评论道温迪·李·奎恩从欧洲谁曾经开发过用于水处理的MOFs但没有参与这项研究。“不幸的是，目前人们对吸附剂在从水中提取特定污染物时的作用知之甚少。这项工作可以帮助加速设计和发现最佳吸附剂，从水中提取剧毒污染物，并使水净化过程更可持续，更容易为所有人所用。”